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Construction of a Few-Layered COF@CNT Composite as an Ultrahigh Rate Cathode for Low-Cost K-Ion Batteries

材料科学 阴极 碳纳米管 共价有机骨架 纳米孔 化学工程 电解质 傅里叶变换红外光谱 复合数 扩散 离子键合 离子 纳米技术 复合材料 多孔性 电极 有机化学 物理化学 工程类 化学 物理 热力学
作者
Ju Duan,Wenting Wang,Degui Zou,Jing Liu,Na Li,Junying Weng,Liping Xu,Ying Guan,Yongjun Zhang,Pengfei Zhou
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (27): 31234-31244 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsami.2c04831
摘要

Potassium-ion batteries (PIBs) are attracting great interest for large-scale energy storage owing to the abundant resources and low redox potential of K+/K. However, the large volume changes and slow kinetics caused by the larger ionic radius of K+ for cathode materials remain a critical challenge for PIBs. Herein, we construct few-layered covalent organic frameworks integrated with carboxylated carbon nanotubes (DAAQ-COF@CNT) as cathode materials for PIBs. The synthesized DAAQ-COF@CNT features numerous active sites, a stable conductive framework, and an appropriate surface area with nanopores, which can render high electrical conductivity, shorten the ion/electron diffusion distance, and accelerate K+ diffusion. In consequence, the DAAQ-COF@CNT delivers a high reversible capacity of 157.7 mAh g-1 at 0.1 A g-1, an excellent rate capability of 111.2 mAh g-1 at 1 A g-1, and a long cycling stability of 77.6% capacity retention after 500 cycles at 0.5 A g-1. The integrated characterization of ex situ X-ray photoelectron spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, and theoretical simulation discloses that the storage mechanism of DAAQ-COF@CNT is based on the reversible reaction between electroactive C═O groups and K+ during two successive steps. This work provides a promising high-performance cathode material for PIBs and encourages the development of new types of covalent organic frameworks for PIBs.
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